全球的数据传输量在过去数十年间迎来了迅猛且持续的增长，诸如云计算、人工智能、虚拟现实、物联网等新兴的应用仍不断地提升人们对于数据传输的需求。本世纪初，数据中心和超级计算机所需的海量数据传输就已经在带宽、功耗、串扰等方面触及了传统铜线互连的极限。光进铜退已经成为不可逆转的趋势，从上千公里的远程通讯到十几米的互连，光纤通讯正在不同应用场景中不断发挥特有的技术优势。近年来，硅基光电子技术由于其在高密度、高性能光电集成电路方面的巨大潜力而受到广泛的关注。它与CMOS技术的兼容性更进一步使其具备成为大规模、廉价光电子集成电路平台的潜力。但对于硅材料来说，其~1.12 eV的禁带宽度使其几乎不吸收1310 nm和1550 nm通信波段的光，因而硅本身很难用于通信波段的光电探测器。光电转换是光互连中不可或缺的关键部分，高速和高灵敏度的探测器可以左右整个光互连系统的设计、性能和成本。因此，实现高性能的光电探测器是硅基光子技术的关键一环。

近日，惠普实验室袁源、Bassem Tossoun、梁迪等科学家总结了硅基光子平台上的雪崩光电探测器（APD）的最新进展。与传统的光电探测器相比，APD由于其内部的雪崩增益作用拥有更高的灵敏度，因此可以有效降低激光器的输出功率，实现更远的传输距离，以及进一步提升光链路的其他性能。通过在硅基晶片上集成不同的窄禁带半导体材料，人们可以在发挥硅光子技术诸多优点的同时实现高效的光电探测。本文总结和对比了不同材料、不同集成方法下硅基APD的原理、性能与函待解决的问题，包括单片生长的锗、单片生长的铟镓砷/铟铝砷、单片生长的量子点、以及异质异构集成的量子点等方案。这些研究进展表明，集成在硅基光子平台的雪崩光电探测器可以获得与基于传统三五族复合半导体衬底的器件相媲美的低额外噪声，高带宽，以及高灵敏度；而且还可以利用硅材料特有的一些材料特性不断提高器件性能，为硅基光电子集成提供了更为广阔和美好的应用前景。毫无疑问，高质量的硅基APD将创造出一个巨大的市场，并为数字时代数据的爆炸增长和其他潜在的应用提供强大的技术支持。

图1. 包括示意电场的硅-锗雪崩光电探测器的常见结构。

图2.（左）异构集成光电探测器的横截面示意图。（右）量子点波导雪崩光电探测器的横截面电子扫描图。

Avalanchephotodiodes on silicon photonics

Yuan Yuan, Bassem Tossoun, Zhihong Huang, Xiaoge Zeng, Geza Kurczveil, Marco Fiorentino, Di Liang, and Raymond G. Beausoleil

J. Semicond. 2022, 43(2): 021301.

doi: 10.1088/1674-4926/43/2/021301.

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/2/021301%20?pageType=en

来源：半导体学报公众号